超声调控藻酸盐与纤维蛋白水凝胶中抗生素控释新策略：抗术后感染的双模式递送平台

《Journal of Biomedical Materials Research Part A》：Controlled Antibiotic Release From Emulsion-Loaded Alginate and Fibrin Hydrogels Using Ultrasound

本文开发了一种集成全氟己烷乳液的复合水凝胶（藻酸盐/纤维蛋白基质），实现了万古霉素（VAN）的持续释放与超声触发释放双模式调控。通过声滴汽化（ADV）效应，超声（2.5 MHz, 5.5 MPa）可显著提升VAN释放量（藻酸盐中提高8.75倍，纤维蛋白中提高27.5倍），并有效抑制金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）生长。该平台兼具早期预防与按需强化给药功能，为骨科术后感染防控提供了时空可控的给药新方案。

1 引言

脊柱融合术后细菌感染是临床重要难题，尽管围手术期积极使用抗生素，仍有1%–10%患者发生感染。局部应用万古霉素（VAN）粉末虽能短期预防（24–48小时），但对形成生物膜的持久菌效果有限。现有治疗方式在初始抗生素消散后无法提供长期保护，亟需能在手术部位维持7天以上治疗浓度的新型给药系统。

水凝胶作为三维聚合物网络，因其可封装、保护并控制释放药物的特性，成为局部给药载体的理想选择。本研究旨在开发一种植入式水凝胶，既能增强当前抗菌预防效果，又能通过超声刺激实现按需抗生素释放。该水凝胶需在引流管留置期间持续释放VAN提供预防，并在拔管后通过外部超声触发释放补充抗生素以清除残留病原体。

刺激响应型水凝胶在抗生素控释领域已有探索，如近红外光触发、pH/温度敏感水凝胶等。但多数系统仅具备被动缓释或外部触发单一功能，且刚性植入装置难以适应软组织应用。本研究选择藻酸盐和纤维蛋白这两种生物相容性良好、可降解的水凝胶基质，通过引入全氟己烷基乳液，构建兼具持续基线释放与按需触发释放的双模式给药平台。

2 材料与方法

2.1 乳液制备

采用氟表面活性剂嵌段共聚物（FSH-PEG-FSH）稳定全氟己烷作为挥发性油相，制备水包油包水（W₁/O/W₂）双乳液。内水相（W₁）为50 mg/mL VAN溶液，通过超声乳化形成初级乳液后，滴加至普朗尼克F68溶液中进行二次乳化，最终乳液平均粒径为1.70±0.18 μm（VAN）和1.82±0.22 μm（FITC-VAN）。超声触发时，全氟己烷液滴发生声滴汽化（ADV），破坏乳液结构并释放药物。

2.2 水凝胶制备

藻酸盐水凝胶（10 mg/mL）通过CaCO₃/GDL离子交联制备，纤维蛋白水凝胶（5 mg/mL）由纤维蛋白原在凝血酶作用下聚合形成。VAN通过直接加载或乳液封装两种方式载入水凝胶，每组水凝胶尺寸统一为直径15.6 mm × 高5.2 mm。

2.3 超声触发释放

使用聚焦超声换能器（2.5 MHz）在37°C水槽中进行刺激，参数设置为5.5 MPa峰值负压、12 μs脉冲宽度、100 Hz重复频率。 transducer以5 mm/s速度扫描整个水凝胶，触发ADV效应。

2.4 释放监测

通过紫外分光光度法（280 nm）和荧光法（FITC-VAN，Ex/Em=495/525 nm）定量VAN释放量，计算累积释放曲线。实验分组包括直接加载与乳液加载的水凝胶，分别设超声处理组与未处理对照组。

2.5 抗菌活性评价

采用Kirby–Bauer纸片扩散法测定对甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌（MSSA）的抑菌圈直径（ZOI），评估水凝胶释药活性。

3 结果

3.1 分光光度法释放测定

直接加载VAN的藻酸盐和纤维蛋白水凝胶均呈现突释现象（24小时释放55%–86%），7天内接近完全释放。乳液加载水凝胶则显著延缓释放，首日保留>70% VAN，基线释放平稳。超声处理后，藻酸盐乳液水凝胶累积释放率提升至73%（未处理组40%），纤维蛋白组提升至65%（未处理组60%）。FITC-VAN释放趋势相似但绝对值较低，可能与载药量差异有关。

单独乳液在4°C去离子水中7天内释放可忽略不计，而超声触发后立即释放27%，证明乳液稳定性与超声触发有效性。

3.2 抗菌活性分析

藻酸盐直接加载组首日抑菌圈达12.4 mm，随后逐渐下降；乳液加载组经超声处理后抑菌圈从7.8 mm（第1天）增至8.4 mm（第7天），显示持续抗菌活性。纤维蛋白乳液组无论是否超声处理均未检测到明显抑菌圈，推测与VAN-纤维蛋白基质相互作用阻碍药物扩散有关。

3.3 水凝胶宏观完整性

纤维蛋白水凝胶7天内结构稳定，而藻酸盐组（尤其超声处理后）出现明显降解，表明材料可针对不同临床需求（快速降解或长期滞留）进行定制化设计。

4 讨论

双模式水凝胶平台成功整合早期突释与持续按需释放功能：直接加载水凝胶提供术后关键期高浓度VAN，乳液系统则通过超声触发在引流管拔除后强化给药。ADV机制（临界压力2.2 MPa）通过液-气相变破坏乳液结构，实现时空可控释放。

藻酸盐体系在抗菌活性与超声响应性方面表现更优，但机械稳定性需提升；纤维蛋白虽结构稳定，但药物-基质相互作用可能影响生物利用度。差异释放曲线提示需根据临床场景（如抗生物膜需持续亚MIC浓度给药）优化设计。

技术局限包括光谱检测中基质降解物干扰、荧光法中内滤效应，以及Kirby–Bauer法在高浓度区饱和问题。未来可通过HPLC验证、优化载药量、引入增强交联等策略改进。

5 结论

本研究构建的超声响应型复合水凝胶平台，通过藻酸盐/纤维蛋白基质与全氟己烷乳液结合，实现了VAN的早期预防与按需强化给药。藻酸盐乳液水凝胶尤具应用潜力，其协同超声的时空控释特性为骨科术后感染防治提供了创新解决方案。